《未来能源结构》PPT课件.ppt

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1、,Energy for Future未来我们使用什么能源,资源与环境学院环境科学与工程系 张永芳2010.5.18,20082009世界油价走势,复旦大学金融与资本市场研究中心主任 谢百三教授,2008年中国股市注定将以历史上最悲壮，最沉痛，跌幅最大的熊市记入中外证券史册。这样的73%的跌幅，只有日本、韩国、台湾（地区）货币升值，泡沫经济被鲁莽捅破后的90年代，只有美国1929年经济大危机后才有过。而这是发生在一个GDP以年均9.8%连续增长30年的经济快速发展的中国。,能源世界的原动力,（一）能源的定义及其重要性（二）世界能源现状（三）新能源开发与利用（四）展望,1.能源的定义,能源是自然界

2、中能为人类提供某种形式能量（如热量、电能、光能和机械能等）的物质资源。能源是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得能量的各种资源，包括煤炭、石油、天然气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源.,（一）能源的定义及其重要性,2.能源的分类,A 按能源的基本形态分类：一次能源：即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。二次能源：指由一次能源加工而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。,（一）能源的定义及其重要性,2.能源的分类,B 按能源的来源分类：来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）

3、：如太阳辐射、风能、水能、生物能和化石能源等。地球本身蕴藏的能量：如核能、地热能等。地球和其他天体相互作用而产生的能量：如潮汐能。,（一）能源的定义及其重要性,2.能源的分类,C 按能源性质分类：燃料型能源（煤炭、石油、天然气、泥炭、木材）；非燃料型能源（水能、风能、地热能、海洋能）。D 按能源消耗后是否造成环境污染分类：污染型能源（煤炭、石油等）和清洁型能源（水力、电力、太阳能、风能等）。E,（一）能源的定义及其重要性,几种新型能源New Energy:,3.能源的重要性,能源世界的原动力衣 树叶兽皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维,（一）能源的定义及其重要性,3.能源的重要性,

4、能源世界的原动力衣 树叶兽皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维 食 茹毛饮血珍馐美味,（一）能源的定义及其重要性,3.能源的重要性,能源世界的原动力衣 树叶兽皮（棉麻毛丝）涤纶锦纶维纶腈纶粘胶纤维醋酸纤维 食 茹毛饮血珍馐美味 住 山洞树林茅草屋高楼大厦 行 步行畜力汽车火车轮船飞机 世界经济和社会的现代化，依赖于化石能源的广泛应用。,（一）能源的定义及其重要性,能源世界的原动力,（一）能源的定义及其重要性（二）世界能源现状,1.世界能源消费构成(2007年),（二）世界能源现状,图1 2007年世界能源消费构成,资料来源：BP 公司BP Statistical Review of

5、World energy june 2008，下同,Exxon Mobile 埃克森美孚Royal Dutch Shell 皇家壳牌BP 英国石油,1.世界能源消费构成(2007年),（二）世界能源现状,图2 2007年世界主要国家石油消费量,The US consumes 25%of the worlds energy with a share of global GDP at 22%and a share of the world population at 5%.,石油：,煤炭：受世界高油价的影响，自2000年开始世界煤炭产量和消费量持续增长，成为增长最快的能源。,（二）世界能源现状,图

6、3 2000年以来世界煤炭生产与消费,1.世界能源消费构成(2007年),煤炭：中国为世界第一大煤炭生产国，煤炭产量为21.46亿吨,增长7.0。中国是世界最大的煤炭消费国，消费量为21.82亿吨，增长7.9,（二）世界能源现状,图4 2007年世界主要国家煤炭生产与消费,1.世界能源消费构成(2007年),天然气：2007年世界10大天然气消费国依次为：美国、俄罗斯、伊朗、加拿大、英国、日本、德国、意大利、沙特阿拉伯和中国，合计消费量占世界总消费量的61。,（二）世界能源现状,图5 2007年世界主要国家煤炭生产与消费,1.世界能源消费构成(2007年),1.世界能源消费构成(2007年),

7、（二）世界能源现状,表1 2007年能源消耗量世界前10名(单位:标准煤),2.世界能源储量(2007年),A 石油：剩余探明储量为12379亿桶(1686亿吨)产量为8153.3万桶/日(年产量约为40亿吨)（还可用42年）。,（二）世界能源现状,图6 2007年世界石油储量地区分布,表2 世界主要国家石油探明储量 单位：亿吨,（二）世界能源现状,2.世界能源储量(2007年),A 石油：,奢华迪拜,奢华迪拜,奢华迪拜,迪拜的绿化 迪拜的人均绿地面积达到20平方米，迪拜的绿色绝对奢侈，每棵树、每丛灌木旁都有“给水管”，清晨、黄昏，地上密布的黑色胶管会向上成雾状喷洒淡化的海水。迪拜每棵树的培植

8、成本超过1000美元，每平方米的草坪的养活成本是每年3000美元，是名副其实靠钱“喂大”的。,迪拜的教育 在1977年以前，没有一所大学的迪拜鼓励年轻人到英、美等国留学，学费和其他生活费用由政府提供。现在，迪拜已经有了综合性大学和理工大学，而且还招收了不少女学生。为了让中学毕业的学生继续接受教育，政府向中学毕业后上大学的人每个月提供高额的奖金政府生怕他们中学毕业后既不上学，又不工作。,奢华迪拜,迪拜的出租车 宝马、奔驰都太普通，劳斯莱斯、兰博基尼、法拉利都可以用来当出租车，还有女性专用的出租车路虎！,2.世界能源储量(2007年),B 煤炭：探明可采储量为8474.88亿吨，按目前速度开采可用

9、104年 美国、俄罗斯和中国的煤炭资源最为丰富,（二）世界能源现状,图4 2007年世界主要国家煤炭探明可采储量,2.世界能源储量(2007年),C 天然气：2007年世界天然气剩余探明可采储量为177.36万亿立方米，比2006年增长0.6。世界天然气资源分布不均，中东地区和前苏联地区最为丰富，天然气储量分别占世界总量的41.3和38.7。按现有的开采水平，世界天然气证实储量可供开采60年。其中中东地区天然气的可采年限最高，为205年，而北美可采年限最低仅为10年。,（二）世界能源现状,INTERMISSION,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,能源的大量使用在给人类带来文明和繁荣

10、的同时,也给人类的生存环境带来了严重的污染.酸雨光化学烟雾热污染温室效应臭氧层破坏,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,A 酸雨（acid rain，pH5.6的降水过程）,酸雨的危害,酸雨的危害,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,B 温室效应（greenhouse effect）,地表受到大量的太阳短波辐射被加热，温度提高，再以长波形式向外辐射能量。地表的长波辐射绝大部分被大气中的水蒸气和二氧化碳等气体吸收，这样使地表和大气下层的温度增高。,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,B 温室效应,“温室效应”增强的后果 全球变暖：冰川消退、海平面上升、土地荒漠化等等,全球

11、二氧化碳排放,世界十大末日景观,据英国每日电讯报报道，全球变暖催生了一个“副产品”，也就是度假者和旅行社所说的“末日游”，人们赶在珍贵的自然景观消失之前，希望能够看上最后一眼。“末日游”最先是由美国人提出来的，美国游客以这种新方式感受地球正面临的危险，他们率先前往阿拉斯加州、巴塔哥尼亚、北极和南极正在融化的冰河；太平洋正在下沉的岛屿和正在消失的大堡礁等等。,世界十大末日景观1,南极洲：盖勒冰架和拉森冰架正以前所未有的速度消融。,乞力马扎罗山：“雪帽”将在15年内被摘掉。,世界十大末日景观2,北极冰盖：北极冰山和冰盖正在消融。,世界十大末日景观3,马尔代夫群岛：海平面上升导致100年内变得无法居

12、住。,世界十大末日景观4,威尼斯：海水回灌。,世界十大末日景观5,阿拉斯加：冰河萎缩，永冻土解冻。,世界十大末日景观6,大堡礁：到2050年，95%的活珊瑚礁将被杀死。,世界十大末日景观7,奥地利基茨比厄尔：滑雪胜地慢慢消融。,世界十大末日景观8,厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛：两种珊瑚虫被列入“极危”类。,世界十大末日景观9,巴塔哥尼亚地区：冰盖不断大面积崩塌。,世界十大末日景观10,阿根廷巴塔哥尼亚地区,阿根廷冰川公园,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,C 热污染 现代工业生产和生活中排放的废热所造成的环境污染，是一种能量污染，指人类活动危害环境的现象。常见的热污染有（1）因城市地区人口

13、集中，建筑群、街道等代替了地面的天然覆盖层，工业生产排放热量，大量机动车行驶，大量空调排放热量而形成城市气温高于郊区农村的热岛效应；（2）因热电厂、核电站、炼钢厂等冷却水所造成的水体温度升高，使溶解氧减少，某些毒物毒性提高，鱼类不能繁殖或死亡，某些细菌繁殖，破坏水生生态环境而引起水质恶化的水体热污染。,3.能源使用与环境污染,（二）世界能源现状,目前人们解决能源衰竭问题的同时，必须考虑环境污染问题。未来要重点发展清洁能源和可再生能源。,能源世界的原动力,（一）能源的定义及其重要性（二）世界能源现状（三）新能源开发与利用,各种替代能源的研究开发正如火如荼的进行！生物质能、太阳能、风能以及水电、核

14、能等已经得到了广泛应用。,（三）新能源开发与利用,A 太阳能：狭义的太阳能(sun energy)限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等。,（三）新能源开发与再生,加州太阳能发电厂,家用制冷、取暖、照明,A 太阳能优点：(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年。

15、,（三）新能源开发与再生,A 太阳能缺点：(1)分散性：太阳辐射的总量大，但能流密度很低。(2)不稳定性：受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响。(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，主要受到经济性的制约，还不能与常规能源相竞争。,（三）新能源开发与再生,B 风能：风能（wind energy)是地球表面大量空气流动所产生的动能。,（三）新能源开发与再生,2007年世界风能利用一览,B 风能特点：(1)可再生、无污染而且储量巨大。粗略估计，近期可以利用的风能总功率约为106107兆瓦，比全世界可以利用的水力资源大10倍。(2)风能资源受地

16、形的影响较大。(3)风速不稳定，产生的能量大小不稳定。(4)技术设备不成熟，转换效率低。,（三）新能源开发与再生,C 海洋能：海洋能(ocean energy)指依附在海水中的可再生能源，海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量，这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中。,（三）新能源开发与再生,C 海洋能特点：(1)蕴藏总量大、无污染、可再生。(2)能流的分布不均、密度低。(3)能量多变、不稳定。海洋能未被利用的原因：(1)经济效益差，成本高。(2)技术不成熟。,（三）新能源开发与再生,D 氢能：氢能(hydrogen energy)是通过氢气和氧气反应所产生的能量。

17、氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%。由于氢气必须从水、化石燃料等含氢物质中制得，因此是二次能源。工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。,（三）新能源开发与再生,仙女座星系,猫爪星云,创造之柱,氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：(1)燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。(2)燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。(3)资源丰富，氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量

18、的75。氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。(4)氢能利用形式多，可以通过燃烧产生热能，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料等。,（三）新能源开发与再生,2H2O 2H2+O2,Hydrogen from water splitting Solar energy Hydrogen Energy,Nature1972,238,37,Fujishim&Honda：water decompose on the TiO2-Pt electrode,Indicate the possibility of direct conversion from Sunlight to

19、 Hydrogen energy,Reaction on the electrode,Yes,my friends,I believe that water will one day be employed as fuel,that hydrogen and oxygen which constitute it,used singly or together,will furnish an inexhaustible source of heat and light,of an intensity of which coal is not capable.water will be the c

20、oal of the future.,In 1874,Jules Verne said:,FromMysterious Island,氢作为一种理想的新的含能体能源，其应用要解决的主要问题：(1)廉价的制氢技术：因为氢是一种二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且目前制氢效率很低，因此寻求大规模的廉价的制氢技术是各国科学家共同关心的问题。(2)安全可靠的贮氢和输氢方法：由于氢易气化、着火、爆炸，因此如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。,（三）新能源开发与再生,E 核能：核能（或称原子能nuclear energy）是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特爱因斯

21、坦的方程E=mc2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应释放：1、核裂变，打开原子核的结合力。2、核聚变，原子的粒子熔合在一起。3、核衰变，自然的慢得多的裂变形式。,（三）新能源开发与再生,太阳的核反应,核能与化石能源的对比：核能发电的过程：核能水和水蒸气的内能发电机转子的机械能电能，与火力发电极其相似，只是以核反应堆及蒸汽发生器来代替火力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。,（三）新能源开发与再生,核能与化石能源的对比：世界上有比较丰富的核资源，核燃料有铀、钍、氘、锂、硼等等，世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源，可提供的能量是矿石燃料的十多

22、万倍。,（三）新能源开发与再生,核能与化石能源的对比：体积小而能量大，核能比化学能大几百万倍；1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量。一座100万千瓦的大型烧煤电站，每年需原煤300400万吨，运这些煤需要2760列火车，相当于每天8列火车。同功率的压水堆核电站，一年仅耗铀含量为3的低浓缩铀燃料28吨。每一磅铀的成本，约为20美元，换算成1千瓦发电经费是0001美元左右，这和目前的传统发电成本比较，便宜许多。,（三）新能源开发与再生,核能的优点：核能发电不会造成空气污染。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。核燃料能量密

23、度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低。,（三）新能源开发与再生,核能的缺点：核电厂会产生高低阶放射性废料，虽然所占体积不大，但因具有放射性，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。核电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。核电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。,（三）新能源开发与再生,能源世界的原动力,（一）能源的定义及其重要性（二）世界能源

24、现状（三）新能源开发与利用（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：1.人体能量如果你生活在大城市，那么在不久的将来，你的身体也会成为一种城市能源。人类活动如跑步、散步等都可以用来产生能量。美国麻省理工学院建筑和规划系的学生詹姆斯格拉汉姆和撒德尤思朱思雅克设计出一个可将人行走时产生的能量转化为电能的“概念性城市设计”。在城市里铺设采用压电材料制作的地板，内装动作感应系统，可将行人的每一个行走动作瞬间产生的能量都转换成电能。他们的这种设计可以实现未来城市的基础设施照明，是未来城市基础能源的一种很有借鉴意义的新能源替代方法。,（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：2.粮食能源迅速增长的生物燃料

25、让我们得到启示：粮食永远伴随人类的一生，那么粮食产生的能量也会永远伴随人类一生。澳大利亚的一家公司就已经从椰子上开始生产能够替代柴油的新能源“椰子油”了。椰子作为替代柴油的燃料由来已久。在第二次世界大战期间，由于柴油供应短缺，在当时的菲律宾，椰子油就成为一种受当地人喜欢的替代燃料。大约半打椰子就可以生产出一升汽油产生的能量。目前，世界各国都在开始研究粮食能源，希望从粮食上找到未来可替代石油的能源。欧洲的国家在研究如何从葡萄中提炼乙醇。,（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：3.藻类能源在科学家的眼中，藻类是地球上石油和天然气的来源，并且藻类被环保者和能源生产者视为最环保的物质。有数据表明，

26、每亩大小的藻类可以产生比传统的乙醇来源（如玉米）高15倍的能源。这些绿色植物甚至可以像海绵一样如饥似渴地吸取二氧化碳。在过去，用藻类提取能源的费用非常昂贵。藻类需要在大量的阳光下才能生长，这制约了藻类能源的发展。但美国旧金山的Solazyme公司却设计出了一个新的办法，他们在黑暗的环境中用糖喂养海藻，然后再提取加工成各种燃料。目前该公司还在尝试转基因藻类植物的提取和加工，一旦未来得到许可，转基因藻类将成为重要的新能源来源。,（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：4.细菌能源大肠杆菌一向不受欢迎，但是在未来也许就很受欢迎了，因为能从大肠杆菌中提取能源。美国硅谷的LS9公司的研究员去年初已经发

27、明了一种细菌遗传改造转基因技术：细菌中也可以提取“石油”。他们利用生物工程技术，对包括大肠杆菌在内的不同菌株进行遗传改造和微生物转基因培养，促使这些微生物把能量转换成乙醇或石油替代品。在未来，一切都成为可能，细菌也会成为最受欢迎的能源产品。,（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：5.垃圾能源在上世纪80年代好莱坞的典型影片回到未来中，疯狂的科学家用香蕉皮、蛋壳和其他形式的垃圾转变成气体，来作为时间旅行机的燃料。现在，好莱坞科幻电影中的情节变为了现实。科学家相信在经过初期焚烧发电的简单工艺之后，新技术的出现在未来有望引领垃圾发电进入新阶段。废物转化为能源一直很有争议，批评人士认为在产生能源的

28、同时会伴随出现温室气体。但是科学家发明的一种名为等离子电弧汽化发电的技术,在经济成本和环保指标上具备很大优势。加拿大帕拉斯科能源集团已经和政府签订合同，采用这种新技术在未来生产更多的能源。,（四）展望,未来有可能被开发的几种新能源：6.天气能源这听起来有点不可思议，不过加拿大工程师路易斯米彻尔德正在实验一种新的清洁能源产生方式：人造龙卷风。他提出的大气能源转换理论非常吸引人。这个理论并不复杂，当气流上升温度升高时就会引起温度的差异，于是空气随之开始形成漩涡，漩涡带动发电机产生电能。此时的漩涡已经是可以抵达对流层的真正龙卷风了，其风速高达每小时200英里。用这种发电系统能够产生200兆瓦的电能，这足以供给20万户家庭的用电需求。,（四）展望,